Was ist polarisiertes Licht?
Polarisiertes Licht ist elektromagnetische Strahlung, die in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingt. Die Schwingung in einer Ebene bedeutet, dass der elektrische Feldvektor der Lichtwelle wie bei der Polarisationsebene xy parallel zu einem Raum zweier Rechteckkomponenten schwingt.
Natürliches oder künstliches Licht ist eine Wellenfolge elektromagnetischer Strahlung, deren elektrische Felder in allen Ebenen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung zufällig schwingen. Wenn nur ein Teil der Strahlung in einer einzigen Ebene schwingen soll, heißt es, dass das Licht polarisiert ist.
Ein Weg, um polarisiertes Licht zu erhalten, besteht darin, einen Lichtstrahl in ein Polarisationsfilter einzuschleusen, das aus einer Polymerstruktur besteht, die nur in einer Richtung ausgerichtet ist und nur die Wellen durchlässt, die in derselben Ebene schwingen, während die übrigen Wellen absorbiert werden .
Der Lichtstrahl, der durch den Filter tritt, hat eine geringere Intensität als der einfallende Strahl. Durch diese Besonderheit kann zwischen polarisiertem und unpolarisiertem Licht unterschieden werden. Das menschliche Auge hat nicht die Fähigkeit, zwischen dem einen und dem anderen zu unterscheiden.
Das Licht kann je nach Ausbreitungsrichtung der Welle linear, kreisförmig oder elliptisch polarisiert werden. Polarisiertes Licht kann auch durch physikalische Prozesse wie Reflexion, Brechung, Beugung und Doppelbrechung erhalten werden.
Linear polarisiertes Licht
Wenn das elektrische Feld der Lichtwelle konstant schwingt und eine gerade Linie in der Ebene senkrecht zur Ausbreitung beschreibt, wird gesagt, dass das Licht linear polarisiert ist. In diesem Polarisationszustand sind die Phasen der beiden Komponenten des elektrischen Feldes gleich.
Überlagert man zwei linear polarisierte Wellen, die in zueinander senkrechten Ebenen schwingen, so erhält man eine weitere linear polarisierte Welle. Die erhaltene Lichtwelle ist in Phase mit den vorherigen. Zwei Wellen sind in Phase, wenn sie zur gleichen Zeit die gleiche Verschiebung aufweisen.
Zirkular polarisiertes Licht
Die Lichtwelle, deren elektrischer Feldvektor in derselben Ebene senkrecht zur Ausbreitung kreisförmig schwingt, ist zirkular polarisiert. In diesem Polarisationszustand bleibt die Stärke des elektrischen Feldes konstant. Die Ausrichtung des elektrischen Feldes erfolgt im oder gegen den Uhrzeigersinn.
Das elektrische Feld von polarisiertem Licht beschreibt Kreisbahnen mit einer konstanten Winkelfrequenz ω .
Zwei senkrecht zueinander überlappende linear polarisierte Lichtwellen mit einer Phasendifferenz von 90 ° bilden eine Welle aus zirkular polarisiertem Licht.
Elliptisch polarisiertes Licht
In diesem Polarisationszustand beschreibt das elektrische Feld der Lichtwelle eine Ellipse in der gesamten Ebene senkrecht zur Ausbreitung und ist in Drehrichtung im Uhrzeigersinn oder in Gegenrichtung ausgerichtet.
Die Überlagerung zweier Lichtwellen senkrecht zueinander, eine mit linearer Polarisation und eine mit zirkularer Polarisation und mit einer Phasenverschiebung von 90 °, führt zu einer Lichtwelle mit elliptischer Polarisation. Die Welle des polarisierten Lichts ähnelt dem Fall der Zirkularpolarisation, wobei jedoch die Größe des elektrischen Feldes variiert.
Polarisiertes Licht durch Reflexion
Polarisiertes Licht durch Reflexion wurde 1808 von Malus entdeckt. Malus beobachtete, dass, wenn ein Strahl unpolarisierten Lichts auf eine gut polierte und transparente Glasplatte trifft, ein Teil des Lichts gebrochen wird, wenn es durch die Platte hindurchgeht, und der andere Teil reflektiert wird und sich bildet Ein Winkel von 90 ° zwischen dem gebrochenen und dem reflektierten Strahl.
Der reflektierte Lichtstrahl wird linear polarisiert, indem er in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung oszilliert, und sein Polarisationsgrad hängt vom Einfallswinkel ab.
Der Einfallswinkel, um den der reflektierte Lichtstrahl vollständig polarisiert ist, wird Brewster-Winkel (θ B ) genannt.
Polarisiertes Licht durch Brechung
Wenn ein unpolarisierter Lichtstrahl auf einen Stapel von Glasplatten auf den Brewster-Winkel ( θB ) trifft, werden einige der Schwingungen senkrecht zur Einfallsebene auf jede der Platten reflektiert und der Rest der Schwingungen wird gebrochen.
Das Nettoergebnis ist, dass alle reflektierten Strahlen in der gleichen Ebene polarisiert sind, während die gebrochenen Strahlen teilweise polarisiert sind.
Je größer die Anzahl der Flächen ist, desto mehr Schwingungen senkrecht zur Ebene verliert der gebrochene Strahl. Am Ende wird das durchgelassene Licht in der gleichen Einfallsebene des nicht polarisierten Lichts linear polarisiert.
Polarisiertes Licht durch Dispersion
Das Licht, das auf kleine Partikel fällt, die in einem Medium schweben, wird von seiner Atomstruktur absorbiert. Das in den Atomen und Molekülen induzierte elektrische Feld hat Schwingungen parallel zur Schwingungsebene des einfallenden Lichts.
Ebenso ist das elektrische Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Dabei emittieren die Atome Lichtphotonen, die in alle möglichen Richtungen abweichen.
Die emittierten Photonen bilden einen Satz von Lichtwellen, die von den Partikeln gestreut werden. Der Anteil des gestreuten Lichts senkrecht zum einfallenden Lichtstrahl ist linear polarisiert. Der andere Teil des in paralleler Richtung gestreuten Lichts ist nicht polarisiert, der Rest des von den Partikeln gestreuten Lichts ist teilweise polarisiert.
Die Dispersion von Partikeln mit einer Größe, die mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts vergleichbar ist, wird als Rayleigh-Streuung bezeichnet. Diese Art der Dispersion erlaubt es, die blaue Farbe des Himmels oder die rote Farbe des Sonnenuntergangs zu erklären.
Die Rayleigh-Streuung ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge (1 / λ 4).
Polarisiertes Licht durch Doppelbrechung
Doppelbrechung ist eine charakteristische Eigenschaft einiger Materialien wie Calcit und Quarz, die zwei Brechungsindizes aufweisen. Durch Doppelbrechung polarisiertes Licht wird erhalten, wenn ein Lichtstrahl auf ein doppelbrechendes Material trifft, das sich in einen reflektierten Strahl und zwei gebrochene Strahlen trennt.
Von den beiden gebrochenen Strahlen weicht einer stärker als der andere senkrecht zur Einfallsebene ab, während der andere parallel schwingt. Beide Strahlen treten mit linearer Polarisation zur Einfallsebene aus dem Material aus.
